淺談限制顯微鏡性能的主要缺陷

在一本書上有看到這么一句有意思的話

“如果你的眼睛與最好的電磁透鏡一樣，

那么原則上你是失明的！“

由于透鏡的缺陷，必須對所有理想光路圖進行修正。這些缺陷限制了顯微鏡的分辨率，但矛盾的是，它有助于從顯微鏡獲得更好的焦深和景深。

在傍軸條件下，即對于軌跡與光軸夾角很小的電子參與成像時，同一物面上所有的點都將單值和無變形地成像在高斯像平面上。但是實際上參加成像的電子并不完全滿足理論上設定的傍軸條件，所得到的的物像可能模糊或有畸變。

目前透鏡有很多缺陷，而且所有缺陷可以在圖像或衍射花樣上觀察到。然而實際中，大部分人并不需要全面地了解他們，這里將介紹一下限制顯微鏡性能的主要缺陷，包括球差、色差和像散。

1、球差

自從球差這個詞在哈勃望遠鏡的主要光學元件中首次被關注后，對其使用就變得頻繁起來。這個缺陷是由于透鏡場不均勻地作用在離軸光線上而引起的。對于電磁透鏡，電子離軸越遠，被偏折就越厲害，結果導致點狀物體折射后就形成了一個一定大小的盤，這限制了放大物體細節的能力，因為細節在成像過程中被削減了。

球差的作用如下圖所示，點狀物P在高斯平面P‘成像。這個像并不是一個點二是一個帶有環繞光環的高強中心亮區。

圖1 透射球差是因為透鏡對于透鏡邊緣的光線折射能力強于傍軸光線，這樣會導致從物點P出射的波前發生球面扭曲。這個點狀物成像為最小模糊面上半徑最小的圓盤和在P’處高斯像平面上半徑比較大的圓盤。最小模糊面是物體最小像形成的平面。這兩個重要平面上的強度分布如光路圖旁邊所示。

球差在物鏡中是最重要的，因為它降低了TEM圖像的質量，所有其他的透鏡放大了它所產生的誤差。球差在AEM和STEM的聚光鏡中也是同樣有害的，這兩種模式中都需要使用大的勵磁電流來形成最小的電子束斑。所有形式的TEM在分辨率極限所能實現的功能幾乎都受到了球差的限制，這就是為什么人們對能校正球差而感到如此興奮的原因。

從上圖可以看到，由透鏡作用而形成的光線錐的最小尺寸并不在高斯像平面上，最小尺寸形成在很靠近透鏡的位置，對此有個討人喜歡的術語“最小模糊斑”。這個盤的半徑為0.25CSβ3,直徑為0.5CSβ3。一些教材中使用這種較小截面來定義球差限制的分辨率極限。TEM廠商可能會特別喜歡這個圓盤，因為它比高斯像平面上的圓盤小，因為透鏡的分辨率會好一些。

磁透鏡中Cs校正器的作用是制造一個發散離軸光線的透鏡（也就是凹透鏡）從而使那些光線重新聚到一點而不是像之前高斯面上的一個盤。

圖2 兩種不同的商業系統對CS校正的光路圖

2、色差

由于電子槍發射的電子存在能量發散，參與成像的電子波長在一個小范圍內波動，通過透鏡時不同波長的電子具有不同焦距，因而在像平面得到以一個由于部分失焦而形成的模糊圓。

圖3 色差會使一定能量范圍得電子聚焦在不同的面上。從樣品中散射出來的沒有能量損失的電子偏折程度要比有能量損失的電子小，如上圖1所示，樣品中一個點在高斯像平面上會成為一個盤，并有一個最小模糊面。

如果不把樣品放入電子束中，幾乎可以完全忽略色差。但不幸的是，樣品一旦放到電子束下，就會從薄樣品上產生整個能量范圍的電子。

3、像散

像散對電鏡獲得高分辨圖像有嚴重影響。電子繞光軸螺旋運動時，如果受到不均勻磁場作用就會產生像散。這個缺陷的產生是因為不能把軟鐵極靴中的孔加工成非常完美對稱的圓柱形，軟鐵本身也可能由于微觀結構的不均勻性引起磁場強度的局部變化。即使克服了這些困難，放到透鏡中的光闌的中心軸如果沒有精確地與光軸重合的話，磁場也會受到干擾。此外，如果光闌不干凈，帶電污染物就會使電子偏轉。

透鏡的像散示意圖

影響像散的因素有很多，幸運的是，通過消像散器可以很容易地校正像散。消像散器是個很小的八極透鏡，它能引入補償場來平衡引起像散的不均勻磁場分布。照明系統（聚光鏡）和成像系統（物鏡）中都有消像散器。

總之，球差、色差和像散是電磁透鏡的3個主要缺陷。還有一些小缺陷，例如桶型和枕形畸變，這是根據圖像的畸變方式給出的字面解釋，偶爾在很低的放大倍數下可以看到這些缺陷，這是由于離極靴空很近的電子參與成像所導致的。

其它的缺陷如彗差、場彎曲等都可以忽略。